大阪大学团队直接观测到原子层与金属界面的重费米子态

大阪大学牵头的国际研究团队在《Communications Materials》报告，首次直接观测到一种重费米子量子态形成于单原子层材料与金属基底的界面。实验对象是沉积在铜单晶表面的单原子层镱铜合金YbCu₂，以及下方的Cu(111)基底。

研究显示，界面不仅保留了原子层本身的二维重费米子态，还出现了由两种材料中的电子相互作用形成、并延伸到铜基底中的另一种重费米子态。

重费米子并不是电子真的变重，而是局域电子与可移动电子强烈相互作用后，整体表现出远高于自由电子的有效质量，是一种集体量子行为。这项研究中，镱原子的4f电子相对局域，铜中的导电电子则较为自由；两者在界面发生杂化，形成新的重费米子能带。研究人员利用高分辨同步辐射角分辨光电子能谱测量电子能量和动量结构，并结合密度泛函理论计算分析结果，获得了界面重费米子态的直接证据。

实验区分出两类相关态：一类主要局限在二维YbCu₂层内，另一类则由YbCu₂层中的局域电子与铜基底导电带杂化而成，扩展到下方三维金属。论文还指出，在约30开尔文的二维重费米子相干温度以下，原有二维态与界面态之间会进一步发生杂化。这表明界面并非只是两种材料性质的简单叠加，原子层与基底之间的耦合本身也能塑造新的电子态。

研究团队表示，这一结果为人工构造低维Kondo晶格提供了新的设计途径。通过选择不同的原子层和金属基底，并调节界面结构、电子轨道或晶格形成的莫尔图案，研究人员未来或可探索非常规超导等新奇量子现象。不过，此次成果属于受控材料体系中的基础物理观测，并未实现超导，也尚未形成可用器件；如何稳定调控这些界面态、验证其是否能诱发预期的新相，仍需后续研究。

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